Grafenová kvantová tečka - Graphene quantum dot

„GQD“ přeadresuje tady. Rozhlasová stanice s volací značkou GQD, viz Rozhlasová stanice Anthorn.

Grafenové kvantové tečky (GQD) jsou grafen nanočástice o velikosti menší než 100 nm. Díky svým výjimečným vlastnostem, jako je nízká toxicita, stabilní fotoluminiscence, chemická stabilita a výrazné kvantové omezení efekt, GQD jsou považovány za nový materiál pro biologické, optoelektronické, energetické a environmentální aplikace.

Vlastnosti

Grafické kvantové tečky (GQD) se skládají z jedné nebo několika vrstev grafenu a jsou menší než 100 nm. Jsou chemicky a fyzikálně stabilní, mají velký poměr povrchu k hmotnosti a lze je snadno dispergovat ve vodě díky funkčním skupinám na okrajích.[1][2] Fluorescenční emise GQD se mohou rozšířit v širokém spektrálním rozsahu, včetně UV, viditelného a IR. Původ fluorescence GQD je předmětem debaty, protože souvisí s účinky kvantového omezení, poruchovými stavy a funkčními skupinami[3][4] to může záviset na pH, když jsou GQD rozptýleny ve vodě.[5] Jejich elektronová struktura citlivě závisí na krystalografické orientaci jejich okrajů, například GQD s klikatou hranou o průměru 7-8 nm vykazují kovové chování.[6] Obecně se jejich energetická mezera zmenšuje, když se zvýší počet grafenových vrstev nebo počet atomů uhlíku na grafenovou vrstvu.[7]

Zdraví a bezpečnost

Hlavní články: Zdravotní a bezpečnostní rizika nanomateriálů a Nanotoxikologie

Toxicita nanočástic rodiny grafenů je předmětem probíhajícího výzkumu.[8] Toxicita (jak in vivo, tak cytotoxicita) GQD souvisí s celou řadou faktorů, včetně velikosti částic, metod syntézy, chemického dopingu atd.[9] Mnoho autorů tvrdí, že GQD jsou biokompatibilní a způsobují pouze nízkou toxicitu[1][10] protože jsou složeny pouze z organických materiálů, což by mělo vést k výhodě oproti polovodičům kvantové tečky.[2] Několik in vitro studie založené na buněčných kulturách ukazují pouze okrajové účinky GQD na životaschopnost lidských buněk.[11][12][13] Hloubkový pohled na změny genové exprese způsobené GQD o velikosti 3 nm odhalilo, že pouze jeden, konkrétně selenoprotein W, 1 z 20 800 genových expresí byl významně ovlivněn v primárních lidských hematopoetických kmenových buňkách.[14] Naopak, jiné in vitro studie pozorují výrazné snížení životaschopnosti buněk a indukci autofagie po expozici buněk GQD[15] a jeden in vivo studie na larvách zebrafish pozorovala změnu 2116 genových expresí.[16] Tato nekonzistentní zjištění lze připsat různorodosti použitých GQD, protože související toxicita závisí na velikosti částic, povrchových funkčních skupinách, obsahu kyslíku, povrchových nábojích a nečistotách.[17] V současné době je literatura nedostatečná k vyvození závěrů o možných rizicích GQD.[8]

Příprava

V současné době byla vyvinuta řada technik pro přípravu GQD. Tyto metody se obvykle dělí do dvou skupin shora dolů a zdola nahoru. Přístupy shora dolů používají různé techniky k řezání objemových grafitových materiálů na GQD, včetně grafitu, grafenu, uhlíkových nanotrubiček, uhlí, sazí a uhlíkových vláken. Mezi tyto techniky patří zejména litografie elektronového paprsku, chemická syntéza, elektrochemická příprava, oxid grafenu (GO) redukce, C60 katalytické transformace mikrovlnná trouba asistovaná hydrotermální metoda (MAH),[18][19] metoda Soft-Template,[20] the hydrotermální metoda,[21][22][23] a metoda ultrazvukové exfoliace.[24] Metody shora dolů obvykle vyžadují intenzivní čištění, protože se v těchto metodách používají silné směsné kyseliny. Na druhé straně metody zdola nahoru sestavují GQD z malých organických molekul, jako je kyselina citrónová[25] a glukóza. Tyto GQD mají lepší biokompatibilitu.[26]

aplikace

Kvantové tečky grafenu jsou díky své jedinečnosti studovány jako pokročilý multifunkční materiál optický, elektronický,[6] roztočit,[27] a fotoelektrické vlastnosti vyvolané efektem kvantového omezení a hranovým efektem. V aplikaci mají možné aplikace bioimaging, rakovinová terapeutika,[28] snímání teploty,[29] dodávka léků,[30][31] LED diody lehčí převaděče, fotodetektory, OPV solární články a fotoluminiscenční materiál, výroba biosenzorů.[32]

Reference

  1. ^ A b Tian, ​​P .; Tang, L .; Teng, K. S.; Lau, S.P. (2018). „Grafenové kvantové tečky od chemie po aplikace“. Materials Today Chemistry. 10: 221–258. doi:10.1016 / j.mtchem.2018.09.007.
  2. ^ A b Wang, Dan; Chen, Jiang-Fen; Dai, Liming (2014). "Nedávné pokroky v grafenových kvantových bodech pro fluorescenční bioimaging z buněk přes tkáně na zvířata". Charakterizace částice a částicových systémů. 32 (5): 515–523. doi:10.1002 / ppsc.201400219.
  3. ^ Pan, Dengyu; Zhang, Jingchun; Li, Zhen; Wu, Minghong (2010). „Hydrotermální cesta pro řezání grafenových desek na modré luminiscenční grafenové kvantové tečky“. Pokročilé materiály. 22 (6): 734–738. doi:10.1002 / adma.200902825. PMID  20217780.
  4. ^ Wang, Shujun; Cole, Ivan S .; Zhao, Dongyuan; Li, Qin (2016). "Dvojí role funkčních skupin ve fotoluminiscenci grafenových kvantových teček". Nanoměřítko. 8 (14): 7449–7458. Bibcode:2016Nanos ... 8,7449 W.. doi:10.1039 / C5NR07042B. hdl:10072/142465. PMID  26731007.
  5. ^ Wu, Zhu Lian; Gao, Ming Xuan; Wang, Ting Ting; Wan, Xiao Yan; Zheng, Lin Ling; Huang, Cheng Zhi (2014). „Obecný kvantitativní senzor pH vyvinutý s dikyandiamidem N-dopovaným grafenovými kvantovými tečkami s vysokým kvantovým výtěžkem“. Nanoměřítko. 6 (7): 3868–3874. Bibcode:2014Nanos ... 6,3868 W.. doi:10.1039 / C3NR06353D. PMID  24589665.
  6. ^ A b Ritter, Kyle A; Lyding, Joseph W (2009). "Vliv struktury hran na elektronické vlastnosti grafenových kvantových teček a nanoribonů". Přírodní materiály. 8 (3): 235–42. Bibcode:2009NatMa ... 8..235R. doi:10.1038 / nmat2378. PMID  19219032.
  7. ^ Wimmenauer, Christian; Scheller, Julienne; Fasbender, Stefan; Heinzel, Thomas (2019). "Energie jedné částice - a optická absorpce - spektra vícevrstvých grafenových kvantových teček". Superlattices a mikrostruktury. 132: 106171. doi:10.1016 / j.spmi.2019.106171.
  8. ^ A b Ou, Lingling; Píseň, Bin; Liang, Huimin; Liu, Jia; Feng, Xiaoli; Deng, Bin; Slunce, Ting; Shao, Longquan (31. října 2016). „Toxicita nanočástic rodiny grafenů: obecný přehled původu a mechanismů“. Toxikologie částic a vláken. 13 (1): 57. doi:10.1186 / s12989-016-0168-r. PMC  5088662. PMID  27799056.
  9. ^ Wang, Shujun; Cole, Ivan S .; Li, Qin (2016). "Toxicita grafenových kvantových teček". RSC zálohy. 6 (92): 89867–89878. doi:10.1039 / C6RA16516H.
  10. ^ Shen, Jianhua; Zhu, Yihua; Yang, Xiaoling; Li, Chunzhong (2012). "Graphene quantum dots: emergent nanolights for bioimaging, Sensors, Catalysis and photovoltaic devices". Chemická komunikace. 48 (31): 3686–3699. doi:10.1039 / C2CC00110A. PMID  22410424.
  11. ^ Shang, Weihu; Zhang, Xiaoyan; Zhang, Mo; Ventilátor, Zetan; Sun, Ying; Han, Mei; Fan, Louzhen (2014). "Mechanismus absorpce a biokompatibilita kvantových teček grafenu s lidskými nervovými kmenovými buňkami". Nanoměřítko. 6 (11): 5799–5806. Bibcode:2014Nanos ... 6,5799S. doi:10.1039 / c3nr06433f. PMID  24740121.
  12. ^ Fasbender, Stefan; Allani, Sonja; Wimmenauer, Christian; Cadeddu, Ron-Patrick; Raba, Katharina; Fischer, Johannes C .; Bulat, Bekir; Luysberg, Martina; Seidel, Claus A. M .; Heinzel, Thomas; Haas, Rainer (2017). „Dynamika příjmu kvantových teček grafenu do primárních lidských krevních buněk po expozici in vitro“. RSC zálohy. 7 (20): 12208–12216. doi:10.1039 / C6RA27829A.
  13. ^ Zhu, Shoujun; Zhang, Junhu; Qiao, Chunyan; Tang, Shijia; Li, Yunfeng; Yuan, Wenjing; Li, Bo; Tian, ​​Lu; Liu, Fang; Hu, Rui; Gao, Hainan; Wei, Haotong; Zhang, Hao; Sun, Hongchen; Yang, Bai (2011). „Silně zelené fotoluminiscenční kvantové tečky grafenu pro bioimagingové aplikace“. Chemická komunikace. 47 (24): 6858–60. doi:10.1039 / c1cc11122a. PMID  21584323.
  14. ^ Fasbender, Stefan; Zimmermann, Lisa; Cadeddu, Ron-Patrick; Luysberg, Martina; Moll, Bastian; Janiak, Christoph; Heinzel, Thomas; Haas, Rainer (19. srpna 2019). „Nízká toxicita grafenových kvantových teček se odráží změnami marginální exprese primárních lidských krvetvorných kmenových buněk“. Vědecké zprávy. 9 (1): 12028. Bibcode:2019NatSR ... 912028F. doi:10.1038 / s41598-019-48567-6. PMC  6700176. PMID  31427693.
  15. ^ Xie, Yichun; Wan, Bin; Yang, Yu; Cui, Xuejing; Xin, Yan; Guo, Liang-Hong (březen 2019). "Cytotoxicita a indukce autofagie pomocí grafenových kvantových teček s různými funkčními skupinami". Journal of Environmental Sciences. 77: 198–209. doi:10.1016 / j.jes.2018.07.014. PMID  30573083.
  16. ^ Deng, Shun; Jia, Pan-Pan; Zhang, Jing-Hui; Junaid, Muhammad; Niu, Aping; Ma, Yan-Bo; Fu, nemocný; Pei, De-Sheng (září 2018). „Transkriptomická odpověď a narušení cest toxicity u larev zebrafish po expozici kvantovým bodům grafenu (GQD)“. Journal of Hazardous Materials. 357: 146–158. doi:10.1016 / j.jhazmat.2018.05.063. PMID  29883909.
  17. ^ Guo, Xiaoqing; Mei, Nan (březen 2014). „Hodnocení toxického potenciálu nanomateriálů rodiny grafenů“. Journal of Food and Drug Analysis. 22 (1): 105–115. doi:10.1016 / j.jfda.2014.01.009. PMC  6350507. PMID  24673908.
  18. ^ Tang, Libin; Ji, Rongbin; Cao, Xiangke; Lin, Jingyu; Jiang, Hongxing; Li, Xueming; Teng, Kar Seng; Luk, Chi Man; Zeng, Songjun; Hao, Jianhua; Lau, Shu Ping (2012). „Deep Ultrafiale Photoluminescence of Water-Solubible Self-Passivated Graphene Quantum Dots“. ACS Nano. 6 (6): 5102–10. doi:10,1021 / nn300760g. PMID  22559247.
  19. ^ Tang, Libin; Ji, Rongbin; Li, Xueming; Bai, Gongxun; Liu, Chao Ping; Hao, Jianhua; Lin, Jingyu; Jiang, Hongxing; Teng, Kar Seng; Yang, Zhibin; Lau, Shu Ping (2014). „Hluboké ultrafialové záření na emise blízké infračervenému záření a fotoodpověď ve vrstvených N-dopovaných grafenových kvantových bodech“. ACS Nano. 8 (6): 6312–20. doi:10.1021 / nn501796r. PMID  24848545.
  20. ^ Tang, Libin; Ji, Rongbin; Li, Xueming; Teng, Kar Seng; Lau, Shu Ping (2013). „Strukturální a optické charakteristiky grafenových kvantových teček odvozených z glukózy na velikosti“. Charakterizace částice a částicových systémů. 30 (6): 523–31. doi:10.1002 / ppsc.201200131.
  21. ^ Li, Xueming; Lau, Shu Ping; Tang, Libin; Ji, Rongbin; Yang, Peizhi (2013). "Vícebarevná emise světla z kvantových teček grafenu dopovaného chlorem". Journal of Materials Chemistry C. 1 (44): 7308–13. doi:10.1039 / C3TC31473A.
  22. ^ Li, Lingling; Wu, Gehui; Yang, Guohai; Peng, Juan; Zhao, Jianwei; Zhu, Jun-Jie (2013). "Zaměření na luminiscenční grafenové kvantové tečky: současný stav a budoucí perspektivy". Nanoměřítko. 5 (10): 4015–39. Bibcode:2013Nanos ... 5.4015L. doi:10.1039 / C3NR33849E. PMID  23579482.
  23. ^ Li, Xueming; Lau, Shu Ping; Tang, Libin; Ji, Rongbin; Yang, Peizhi (2014). „Sulphur doping: A facile approach to tune the electronic structure and optical properties of graphene quantum dots“. Nanoměřítko. 6 (10): 5323–8. Bibcode:2014Nanos ... 6,5323L. doi:10.1039 / C4NR00693C. PMID  24699893.
  24. ^ Zhao, Jianhong; Tang, Libin; Xiang, Jinzhong; Ji, Rongbin; Yuan, červen; Zhao, červen; Yu, Ruiyun; Tai, Yunjian; Song, Liyuan (2014). "Chlorem dotované grafenové kvantové tečky: Příprava, vlastnosti a fotovoltaické detektory". Aplikovaná fyzikální písmena. 105 (11): 111116. Bibcode:2014ApPhL.105k1116Z. doi:10.1063/1.4896278.
  25. ^ Wang, Shujun; Chen, Zhi-Gang; Cole, Ivan; Li, Qin (únor 2015). "Strukturní vývoj grafenových kvantových teček během tepelného rozkladu kyseliny citronové a odpovídající fotoluminiscence". Uhlík. 82: 304–313. doi:10.1016 / j.carbon.2014.10.075. hdl:10072/69171.
  26. ^ Wang, Shujun; Cole, Ivan S .; Li, Qin (2016). "Toxicita grafenových kvantových teček". RSC zálohy. 6 (92): 89867–89878. doi:10.1039 / C6RA16516H.
  27. ^ Güçlü, A. D; Potasz, P; Hawrylak, P (2011). "Spin řízený elektrickým polem ve dvojvrstvých trojúhelníkových grafenových kvantových bodech". Fyzický přehled B. 84 (3): 035425. arXiv:1104.3108. Bibcode:2011PhRvB..84c5425G. doi:10.1103 / PhysRevB.84.035425. S2CID  119211816.
  28. ^ Thakur, Mukeshchand; Kumawat, Mukesh Kumar; Srivastava, Rohit (2017). „Multifunkční kvantové tečky grafenu pro kombinovanou fototermální a fotodynamickou terapii ve spojení s aplikacemi pro sledování rakovinných buněk“. RSC zálohy. 7 (9): 5251–61. doi:10.1039 / C6RA25976F.
  29. ^ Kumawat, Mukesh Kumar; Thakur, Mukeshchand; Gurung, Raju B; Srivastava, Rohit (2017). "Kvantové tečky grafenu z Mangifera indica: Aplikace v blízkém infračerveném bioimagingu a intracelulární nanotermometrii ". ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 5 (2): 1382–91. doi:10.1021 / acssuschemeng.6b01893.
  30. ^ Kersting, David; Fasbender, Stefan; Pilch, Rabea; Kurth, Jennifer; Franken, André; Ludescher, Marina; Naskou, Johanna; Hallenberger, Angelika; Gall, Charlotte von; Mohr, Corinna J; Lukowski, Robert; Raba, Katharina; Jaschinski, Sandra; Esposito, Irene; Fischer, Johannes C; Fehm, Tanja; Niederacher, Dieter; Neubauer, Hans; Heinzel, Thomas (27. září 2019). "Z in vitro na ex vivo: subcelulární lokalizace a absorpce kvantových teček grafenu do pevných nádorů ". Nanotechnologie. 30 (39): 395101. Bibcode:2019Nanot..30M5101K. doi:10.1088 / 1361-6528 / ab2cb4. PMID  31239418.
  31. ^ Thakur, Mukeshchand; Mewada, Ashmi; Pandey, Sunil; Bhori, Mustansir; Singh, Kanchanlata; Sharon, Maheshwar; Sharon, Madhuri (2016). „Mléko odvozený multifluorescenční grafenový kvantově tečkovaný rakovinový terapeutický systém“. Věda o materiálech a inženýrství: C. 67: 468–477. doi:10.1016 / j.msec.2016.05.007. PMID  27287144.
  32. ^ Bogireddy, Naveen Kumar Reddy; Barba, Victor; Agarwal, Vivechana (2019). Senzory „Turn-OFF“ H2O2, Au (III) a „Turn-OFF – ON“ Hg (II) na bázi „dusíku dopovaného oxidu grafenu“ jako logické brány a molekulární zámky klávesnice “. ACS Omega. 4 (6): 10702–10713. doi:10.1021 / acsomega.9b00858. PMC  6648105. PMID  31460168.